L'angle de contact des gouttelettes d'eau augmente considérablement les émissions laser, de Qiao et al., doi 10.1117/1.AP.3.1.016003. Crédit :Qiao et al.
De minuscules forces moléculaires à la surface des gouttelettes d'eau peuvent jouer un rôle important dans les émissions de sortie laser. En tant que matrice la plus fondamentale de la vie, l'eau est le moteur de nombreuses activités biologiques essentielles, par des interactions avec des biomolécules et des organismes. L'étude des effets mécaniques des interactions entre l'eau et l'eau contribue à la compréhension des processus biochimiques. Selon Yu-Cheng Chen, professeur d'ingénierie électronique à l'Université technologique de Nanyang (NTU), "Lorsque l'eau interagit avec une surface, l'hydrophobie à la bio-interface détermine principalement l'équilibre mécanique de l'eau. L'hydrophobie moléculaire à l'interface peut servir de base pour surveiller les interactions et la dynamique biomoléculaires subtiles."
Des gouttelettes d'eau ont été utilisées pour former des microlasers biologiques qui exploitent la capacité intrinsèque de l'eau à confiner la lumière avec une diffusion minimale. Les lasers à gouttelettes bénéficient de l'oscillation laser dans une microcavité, Ainsi, tous les changements subtils induits par le milieu de gain ou la cavité peuvent être amplifiés, entraînant des changements spectaculaires des caractéristiques d'émission laser. Alors que les lasers à gouttelettes sont devenus des plates-formes de pointe dans les études biochimiques/physiques et les applications biomédicales, l'interaction optique entre des résonateurs à gouttelettes et une interface est restée inconnue.
Comme indiqué dans Photonique avancée , L'équipe NTU de Chen a récemment découvert que lorsqu'une goutte d'eau interagit avec une surface pour former un angle de contact, les forces moléculaires interfaciales déterminent la géométrie d'un résonateur à gouttelettes. Des changements mécaniques spectaculaires à l'interface jouent un rôle important dans l'oscillation optique des résonateurs à gouttelettes.
Le groupe de Chen a découvert un mécanisme d'oscillation des résonateurs à gouttelettes, dans lequel le laser résonne le long de l'interface gouttelettes-air dans le plan vertical. Chen note que ce mode laser « en forme d'arc-en-ciel » ou « en forme d'arc » orienté verticalement réfléchit d'avant en arrière entre les deux extrémités de l'interface des gouttelettes, formant une émission laser unique et extrêmement puissante. L'équipe de Chen a remarqué que, contrairement au mode galerie de chuchotements (WGM) couramment utilisé, ce mécanisme laser nouvellement découvert est beaucoup plus sensible aux forces moléculaires interfaciales. Selon Chen, "Les émissions laser de ce mode semblable à un arc augmentent considérablement avec l'augmentation de l'hydrophobie interfaciale, ainsi que l'angle de contact des gouttelettes."
(a) Schéma d'un laser à gouttelettes hébergeant des modes de type arc (AL). Une couche moléculaire est déposée entre le miroir et la gouttelette. La tension interfaciale goutte-solide, la tension superficielle du solide, et la tension superficielle des gouttelettes déterminent généralement l'angle de contact. (b) Chemins d'oscillation AL (en haut) et distributions de champ électrique simulées des modes AL (en bas) sous différents angles de contact. (c) Gauche :profils de vue latérale de gouttelettes avec des angles de contact variables. A droite :images optiques des gouttelettes après pompage. Boîtes jaunes, les régions d'émission laser. (d) Spectres optiques de résonateurs à gouttelettes avec différentes tensions interfaciales. (e) Angles de contact et sorties laser spectralement intégrées en fonction de différentes concentrations biomoléculaires d'albumine sérique bovine (BSA) dans les gouttelettes. Crédit :Qiao et al.
Cherchant à expliquer ce phénomène modulant, L'équipe de Chen a également découvert que le facteur de qualité des nouveaux modes laser augmentait considérablement avec l'augmentation de l'angle de contact des gouttelettes. Et le nombre de chemins d'oscillation des modes laser dans les gouttelettes a considérablement augmenté. "Ensemble, ces deux facteurs déterminent l'amélioration des émissions laser avec la force des forces moléculaires interfaciales, " dit Chen.
Sur la base de leur découverte, L'équipe de Chen a exploré la possibilité d'utiliser des lasers à gouttelettes pour enregistrer les changements mécaniques aux biointerfaces. Comme anticipé, ils ont découvert qu'un petit changement des forces biomoléculaires interfaciales, induite par une très faible concentration de biomolécules, tels que des peptides ou des protéines, peuvent être enregistrées par les émissions laser des lasers à gouttelettes.
Selon Chen, "Ce travail démontre un mécanisme de modulation important dans les résonateurs à gouttelettes et montre le potentiel d'exploitation des résonateurs optiques pour amplifier les changements de forces intermoléculaires." Les connaissances sur les mécanismes laser ouvrent de nouvelles perspectives d'utilisation des microlasers pour étudier les interactions biomécaniques et la physique des interfaces. Comme les lasers à gouttelettes peuvent fournir une nouvelle plate-forme pour étudier les interactions physiques intermoléculaires à l'interface, ils pourraient être particulièrement utiles pour examiner les interactions hydrophobes, qui jouent un rôle vital dans de nombreuses dynamiques physiques et systèmes biologiques.
